JP2013520611A - 無段ドライブシステムを有するスーパーチャージャ - Google Patents

Abstract

エンジンシステムは、変化可能に開閉して空気の流量を選択的に制限するように構成されたスロットルバルブを含む。また、エンジンシステムは、空気入口と、空気出口と、回転可能な駆動軸と、駆動軸に関連するロータとを備えたスーパーチャージャを含み、スーパーチャージャは、空気の流れの逆流を防止する程度の流量を有する容量とされている。エンジンシステムは、更に、燃焼室及び関連する回転可能なクランク軸を備えたエンジンと、駆動軸とクランク軸との間で回転エネルギーを変化可能に伝達するように構成された無段変速機（ＣＶＴ）とを含む。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明の開示は、概してエンジンに空気を供するための容積形エアポンプに関する。制御方法は、固定容量形スーパーチャージャに組み合わせる無段変速機を利用する。

一般的に、燃焼エンジンに供給される空気の量は、エンジンが提供できる出力の大きさに比例する。この出力は、自動車等の車両を含む様々な装置に回転軸のエネルギーとして供給することができる。このエンジン出力は、その出力軸の毎分の回転数（ＲＰＭ）及び軸に供給されるトルクに関係する。所与のエンジン回転速度において出力を変化させるためには、出力軸トルクを変化させる必要がある。出力軸トルクは、多くの変数の関数であるが、エンジンに流入する空気の量に大きく関係する。

空気過給システムは、エンジンがより多くの空気を消費できるようにし、これにより、出力軸で、より大きなトルクを発生することができることになる。そのような過給システムの一つは、スーパーチャージャであり、このスーパーチャージャは、平行なローブ付ロータを有する容積形のエアポンプである。スーパーチャージャは、空気又は他の気体を内燃エンジンに供給することができる。

スーパーチャージャは、エアフローバルブと組み合わされて、エンジンが要求する空気量を正確に供給する。スーパーチャージャは、一般的に、固定された空気容量で設計されるので、バイパスバルブも含まれている。このバイパスバルブは、スーパーチャージャを通る空気の全流量がエンジンに要求されないとき、開弁される。そして、過剰な空気量は、再循環してスーパーチャージャの入口に再度流入できるようにする。循環された過剰な空気は、引続きポンプにエネルギーを要求し、これにより、過給システム全体の効率を低下させる。

従来技術のシステムは、回転するエンジンのクランク軸及びスーパーチャージャの回転軸に取付けられたプーリを有する固定プーリ構造を使用してきた。エンジン回転速度が増大したとき、これによるエンジンの空気の要求によって、固定プーリは、スーパーチャージャのロータがより速く回転して、より多くの空気を供給できるようにする。このプーリは、一般的に、エンジン回転速度とスーパーチャージャ回転速度との間に固定された変速比を設定する。固定プーリシステムは、空気の供給量が変化する利点を有するが、供給されるこの空気は、常に最適な量ではない。更に、固定された変速比を使用することにより、エンジン及びスーパーチャージャの少なくとも一方は、その定格作動領域の全領域を使用することができず、容量を無駄にすることになる。

一実施形態では、エンジンシステムは、変化可能に開閉して空気の流量を選択的に制限するように構成されたスロットルバルブと、空気入口、空気出口、回転可能な駆動軸及び駆動軸に関連するロータを含むスーパーチャージャと、燃焼室及び関連する回転可能なクランク軸を含む燃焼エンジンと、駆動軸とクランク軸との間で変化可能に回転エネルギーを伝達するように構成された無段変速機（ＣＶＴ）とを備えている。スーパーチャージャは、空気流の逆流（ｂａｃｋｗａｒｄｓ ｌｅａｋｉｎｇ）を実質的に阻止する流量レートを有する容量とされている。

このエンジンシステムは、スロットルバルブが開で、ＣＶＴがクランク軸から駆動軸に回転エネルギーを伝達し、駆動軸がクランク軸よりも速く回転して、スーパーチャージャが加圧された空気を燃焼エンジンに供給するように構成することができる。

このエンジンシステムは、スロットルバルブが開で、ＣＶＴが駆動軸からクランク軸に回転エネルギーを伝達し、ロータがトルクを受けて、スーパーチャージャが空気入口から空気出口へ負の差圧となるように構成することができる。

また、このエンジンシステムは、スロットルバルブが部分的に閉じられ、ＣＶＴが駆動軸からクランク軸に回転エネルギーを伝達し、ロータがトルクを受けて、スーパーチャージャが空気入口から空気出口へ負の差圧となるように構成することができる。

また、このエンジンシステムは、排出ガス再循環バルブと、吸気マニホールドと、排気マニホールドとを備え、吸気マニホールドは、スーパーチャージャとエンジンとの間に配置され、排気マニホールドは、燃焼エンジンから排気を受け入れ、排出ガス再循環バルブは、変化可能に排気を排気マニホールドから吸気マニホールドに移送する。

他の実施形態では、空気移動システムは、空気入口、空気出口、空気を空気入口から空気出口に移動させるための少なくとも一つのロータ、及び、ロータに連結されてロータを回転させる駆動軸を含む容積形エアポンプと、変化可能に移動可能な空気制限プレートを有するバルブと、空気燃焼室及び関連するクランク軸を有するエンジンと、伝達する回転エネルギーの量を変化可能にする手段を有するＣＶＴとを備えている。この無段変速機は、駆動軸とクランク軸との間に連結されて回転エネルギーを伝達する。

上述の一般的な説明及び以下の詳細な説明の両方は、例示的かつ説明的なものに過ぎず、特許請求の範囲に記載された本発明を限定するものではないことを理解すべきである。

添付の図面は、本明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明のいくつかの実施形態を図示し、この説明と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。

理想的な増大トルク曲線の一例及び従来技術のトルク曲線を示す図である。 上流のスロットルバルブが開で、過給された空気が供給されるエンジンシステムの一例を示す図である。 上流のスロットルバルブが開で、スーパーチャージャを絞るエンジンシステムの一例を示す図である。 上流のスロットルバルブが部分的に閉で、スーパーチャージャを絞るエンジンシステムの一例を示す図である。 上流のスロットルバルブが開で、排出ガス再循環（ＥＧＲ）バルブが開いたエンジンシステムの一例を示す図である。 下流のスロットルが開で、過給された空気が供給されるエンジンシステムの一例を示す図である。 下流のスロットルバルブが開で、スーパーチャージャを絞るエンジンシステムの一例を示す図である。 下流のスロットルが部分的に閉で、スーパーチャージャを絞るエンジンシステムの一例を示す図である。 下流のスロットルバルブが開で、ＥＧＲバルブが開いたエンジンシステムの一例を示す図である。 従来技術の一例である固定プーリ比システムのスーパーチャージャの作動速度のグラフ図である。 ＣＶＴ及びスーパーチャージャ構造の一例の作動速度のグラフ図である。 従来技術の固定プーリ比のスーパーチャージャ構造の一例において、バイパスされた空気の流量を示すグラフ図である。 従来技術の固定プーリ比のスーパーチャージャ構造の一例の入力動力のグラフ図である。 ＣＶＴ及びスーパーチャージャ構造の一例の入力動力のグラフ図である。 ＣＶＴ及びスーパーチャージャ構造の一例の動力節約のグラフ図である。

添付の図面に示された例を参照して本実施形態を詳細に説明する。可能な限り、図面を通して同じ又は同様の部分に対しては同じ参照符号を使用する。図面を通して、矢印は、空気の流路を示す。

従来技術の空気供給及びエンジンシステムの一例は、エンジンに流体接続したスーパーチャージャを含んでいる。この従来技術のスーパーチャージャは、少なくとも一つのローブ付ロータ及び空気の体積を加速するための関連する駆動軸を含む。この駆動軸は、固定変速比のプーリシステムに関係する。この固定変速比プーリシステムは、駆動軸に連結された第１プーリ及びエンジンのクランク軸に関連する第２プーリを備えている。テンションベルトが第１及び第２プーリ上に配置されて、回転動力をエンジンクランク軸から駆動軸に伝達できるようにする。回転動力の伝達比の一例が４：１であるとき、エンジンクランク軸の１回転毎に駆動軸は４回転する。これは、スーパーチャージャが、エンジン速度が増大する度にロータの回転によって移動される空気の体積を増大できるようにする。

エンジンに供給される空気の体積がエンジンのトルク出力に直接影響するので、固定変速比のプーリシステムは、予測可能な空気量をエンジンに供給して、トルクを予測可能に増大させる。図１の線分Ｅは、従来の固定プーリ比過給エンジンのトルク曲線を示す。エンジンの低速時において、点１までは、エンジンからスーパーチャージャへのエネルギーの伝達は、ロータを理想的なトルク量に対して充分速く回転させるには不充分である。線分Ｆで示される理想的なトルクと従来技術のトルクとの差がＤで示されている。点１は、様々な理由から、エンジンの運転領域において最も重要な点の一つである。これは、車両がアイドル状態から発進状態に移行する点であり、一般的に大きな負荷状態にある。

点１において、理想的なトルクを達成するため、スーパーチャージャは、より多くの空気をエンジンに供給しなければならないが、その容量から外れて運転してはならない。固定されたプーリシステムの使用によりエンジン速度とスーパーチャージャ速度とが直接的に関係するため、エンジン速度が増大したとき、スーパーチャージャが速度超過となる虞がある。このため、より高いエンジン運転速度においてスーパーチャージャの速度超過が生じることにより、点１において理想に近いトルクを達成するほど過度にプーリ間の比を増大させることはできない。妥協案として、従来技術の設計は、一般的に、点２においてシステムが理想的なトルク曲線に一致するように、点１におけるトルクの減少を受入れている。この点２を通過すると、スーパーチャージャは、過剰な空気を供給するが、その運転速度の領域内である。この空気がエンジンに供給されると、Ｇで示されるように、過剰なトルクを発生する。過剰なトルクの発生を回避するため、過剰な空気は、例えば、エンジンの燃焼室への空気の過剰供給を防止するバイパスバルブにより、バイパスされる。このバイパスバルブは、空気の再循環又は空気の排出を可能にする。いずれにしても、多大なエネルギーが無駄になる。

理想的な増大トルク曲線を達成するため、出願人は、変速比が固定されたプーリシステムの代りに無段変速機（ＣＶＴ）の利用を提案する。スーパーチャージャの速度は、出力空気流量がエンジンの要求流量に一致するように制御することができる。スーパーチャージャ速度の変化は、内燃エンジンのトルク出力のバリエーションをより特化できるようにする。ＣＶＴは、要求された状態下で、スーパーチャージャ速度をエンジン回転速度とは「独立」して、所望のエンジン空気流量に「応答」するように制御することを可能にする。

ＣＶＴは、エンジンクランク軸とスーパーチャージャ駆動軸との間の回転差を可能にする多くのタイプの装置の一つとすることができる。トロイド、ベルト、プラネタリ又はコーンタイプの機械式ＣＶＴは、回転エネルギーをクランク軸から駆動軸に伝達できるようにする。あるいは、ＣＶＴは、独立した電気モータ等の電気的なものにすることができる。

ＣＶＴは、ロータの駆動軸の様々な範囲の速度を可能にする。この速度は、駆動源の毎分の回転数（ＲＰＭ）よりも大きく、又は、小さくすることができる。ＣＶＴは、空気の供給を調整可能とし、これにより、トルク出力を調整可能にする。点１の低エンジン速度において、高トルク出力を達成することができ、また、点２において最適なトルクを達成することができる。点３において、スーパーチャージャは、そのピーク空気流量に到達し、ほぼ同時に、エンジンがそのピーク出力に到達する。点３を超えた各点において、空気流量をほぼ一定に維持することができる。エンジン出力トルクは、減少するが、エンジンパワー出力は、引続き高く維持される。領域Ｇにおいて相当な動力を無駄にせずに、省動力化が達成される。

ＣＶＴの使用により、更に利点を得ることができる。：エンジン速度の低下により、燃料の節約は、１０％を超えて増大することができる。エンジンは、例えば１２００ＲＰＭのような低エンジン速度で運転することができ、これにより、エンジンの摩擦を低減することができる。理想的には、エンジンは、低エンジン速度で高トルクを発生して、低速化の利点を最大限にする。現在の構造は、不充分な過給すなわち空気供給であるが、ＣＶＴ構造は、スーパーチャージャがエンジン速度に依存せず空気を供給できるようにし、これにより、低エンジン速度での過給を増大させ、換言すると、「低速トルク」を増大させる。低エンジン速度でのトルクの増大により、低エンジン速度で、より高い変速機のギヤ比を使用することができ、その結果、燃料経済性を更に増大することになる。

更に、スーパーチャージャによる過給エンジンに対するもう一つの利点は、より小さい容量のスーパーチャージャの利用によって達成することができる。従来技術の構造は、図１の点２で必要とする空気流量に基づいてスーパーチャージャの容量を選択する。点２よりも高い回転速度では、スーパーチャージャの効率は、内部のシールにより制限される。低回転速度では、これにより高圧力比となり、空気は、出口側から入口側に逆流して内部で漏れを生じるので、スーパーチャージャ効率は低下する。より小さいスーパーチャージャを使用して理想的な空気流量を達成することにより、空気の逆流が減少する。より小さいスーパーチャージャは、より大きなスーパーチャージャと同じ空気流量を達成するためには、より高い回転速度で運転しなければならない。

より小さいスーパーチャージャをＣＶＴと組み合わせて使用する最後の利点は、バイパスバルブを省略できることである。ＣＶＴは、最小値と最大値との間の効率的な変速比の範囲に沿った継目のない切換えを可能にする機構の組合せを備えている。これにより、スーパーチャージャがエンジンによって要求される正確な空気量のみを供給するように、スーパーチャージャ速度を変化させることができる。スーパーチャージャは、低エンジン速度で高い過給を達成するために、より高速で回転させ、かつ、速度超過を防止するため、高エンジン速度において、より低速で回転させることができる。

ＣＶＴの制御は、車両エレクトロニクスの一部となり、このため、全ての状態下でスーパーチャージャの位置、速度及び機能性を決定するために、キャリブレーションの方策が要求される。キャリブレーションの方法は、例えば、プロセッサ、メモリ、メモリに記憶されたアルゴリズム及び制御電子機器を有するコンピュータによって実行することができる。また、このコンピュータは、エンジン、燃料噴射システム、スロットルコンポーネント及び排出ガス再循環バルブ等の他の装置を制御するために使用することもできる。

以下の例は、固定変速比プーリ構造とＣＶＴ構造との間の比較を更に示している。最大速度６５００ＲＰＭの２Ｌエンジンが最大速度２００００ＲＰＭの０．５７Ｌスーパーチャージャと組み合わされる。例１は、エンジンからエネルギーをスーパーチャージャに送るのに４：１の変速比を有する固定プーリを含んでいる。例２は、ある範囲のエネルギー伝達比を有するＣＶＴを使用している。

テーブル１（例１）は、所与の圧力比（縦）及びエンジン速度ＲＰＭ（横）に対するスーパーチャージャの速度ＲＰＭを示す。このスーパーチャージャ速度は、固定変速比プーリの例のエンジン速度と線形関係である。エンジンが５０００ＲＰＭのとき、スーパーチャージャは、その限界速度を遥かに超えている。このため、スーパーチャージャを保護するために、エンジンは、５０００ＲＰＭを超えて運転することができない。その結果、エンジンは、その運転領域の全てにわたって利用されないことになるので、能力が無駄になる。また、固定変速比プーリシステムは、テーブル１の空白セルによって示される範囲の圧力比の範囲を提供することができない。すなわち、このシステムは、低エンジン速度ＲＰＭで高い過給を行うことができない。

テーブル２（例２）は、ＣＶＴで駆動されるスーパーチャージャ速度がエンジン速度（横）とは独立して制御され、圧力比（縦）の範囲がより広くなることを示している。圧力比の範囲の拡大により、過給値の範囲をより広くする。更に、スーパーチャージャは、低エンジン速度ＲＰＭで高過給とするため、回転速度を高め、そして、高エンジン速度ＲＰＭで低過給とするため、回転速度を低下することができる。また、テーブル２の結果は、図５にも示され、これは、スーパーチャージャ速度ＲＰＭを圧力比及びエンジン速度ＲＰＭに対してプロットしている。

テーブル１の固定変速比プーリのスーパーチャージャは、固定された変速比で駆動されるので、制限速度は、最大エンジン速度に一致しなければならない。このため、変速比が固定されたプーリの例では、スーパーチャージャに損傷を与えることなく、５０００ＲＰＭを超えてエンジンを回転させることはできない。

テーブル２のＣＶＴの例では、同じ容量のスーパーチャージャは、同じ制限速度を有しているが、プーリの変速比を変化させて、エンジンの運転領域にわたってスーパーチャージャがそのピーク制限速度に従って運転できるようにする。

殆どの一般的な火花点火内燃エンジンは、スロットルボディのスロットルバルブ等の流量制限機構を利用して、吸気マニホールド内に負圧を発生させる。負圧を発生させるために、動力が消費される。

ＣＶＴをスーパーチャージャと組み合わせて使用したとき、スーパーチャージャのより大きな運転の自由度により、省動力化が行われることになる。ロータを制御して、エンジンに向って空気を押込み、又は、エンジンへの空気を制限することができる。ＣＶＴによりロータの回転速度を低下させ、これにより、空気に制限を与えて、従来技術と比べたとき、より小さい動力の消費で、吸気マニホールド内に負圧の吸気状態を生成することができる。ロータの速度の低下は、ＣＶＴの動力変速比の変更によって行うことができ、以下に詳細に説明するように、結果として得られるロータに生じるトルクは、システムに使用するためにエンジンクランク軸に戻すことができる。

ＣＶＴによって駆動されるスーパーチャージャにおいて、ＣＶＴは、従来、スロットルバルブによって行われた必要な制限の少なくとも一部を行うのに充分なようにローブ付ロータの速度を低下させることができる。これにより、スーパーチャージャを通って負の差圧を生じる。この負の差圧は、ロータにトルクを生じる。駆動システム及びエンジンクランク軸は、このトルクに抗しなければならないが、全体としては、ロータのトルクエネルギーの一部は、エンジンクランク軸に戻される。このトルクの伝達は、結果として、システムにエネルギー利得をもたらす。

動力伝達の利点に加えて、負の差圧は、マニホールド圧力を制御して適切な排出ガス再循環（ＥＧＲ）を確実に行うような方法に対して有益である。すなわち、負の差圧は、大気圧に近い排気流から、排気をＥＧＲバルブを介して、エンジンの吸気流に引き込むのを助ける。

トルクエネルギーの伝達の例は、図２Ａ〜３Ｄに参照することができる。また、図２Ｄ及び３Ｄは、ＥＧＲの利点を示す。これらの例は、スーパーチャージャ２０１、２０１’、２０１’’、２０１’’’、３０１、３０１’、３０１’’及び３０１’’’を含み、このスーパーチャージャは、平行なローブ付ロータを有する容積形エアポンプである。空気流の体積、空気流の流速、及び、空気流の圧力は、スーパーチャージャの適切な容量の選択、及び、ロータの運動の制御によって制御することができる。これらの例において、特定の大気圧及び変速比が示されているのに対して、他の値は、ロータ速度、ＣＶＴ設定、スロットルバルブ位置、エンジンサイズ、スーパーチャージャ容量、プーリ変速比又はエンジン速度のうちから一つ以上の選択によって行われる。図２Ａ〜３Ｄのそれぞれのシステムは、図示の単一の値に加えて、正圧及び負圧の範囲をとることができ、これにより、システムが広範な負荷及び環境状態下で運転できるようにする。例えば、システムは、相当な低速トルクを発生することができ、また、高高度領域で運転することができる。

図２Ａ〜３Ｄの例は、２００００ＲＰＭの制限速度を有する０．５７Ｌのスーパーチャージャを使用する。ＣＶＴ２０６、２０６’、２０６’’、２０６’’’、３０１、３０１’、３０１’’、及び３０１’’’は、関連するスーパーチャージャロータの回転速度を制御し、例えば、トロイダル、ベルト、プラネタリ及びコニカルを含む機械式又は電動モータのタイプのいずれか１つとすることができる。図２Ａ〜３Ｄには、ベルト−プーリタイプのＣＶＴが示されているが、他のエネルギー変換すなわち伝達のＣＶＴを使用してもよい。

エンジン２０３、２０３’、２０３’’、２０３’’’、３０３、３０３’、３０３’’及び３０３’’’は、自動車用の燃焼タイプ、あるいは、他の原動機とすることができ、また、４、６、８又は１２気筒を含むことができる。内部クランク軸は、コンロッドに連結して、各シリンダに関連するピストンによって作動する。また、オイルサンプ、ピストンシール及び点火プラグが含まれる。各シリンダは、空気を交換するための少なくとも１つのバルブを有するが、例えば２つの吸気バルブ及び２つの排気バルブのように、より多くのバルブを有してもよい。吸気マニホールドシステムは、吸気バルブに関連して空気を分配し、いくつかの空気導管を備えることができ、一例では各吸気バルブに対して１つの導管を配置し、あるいは、マニホールドシステムは、単一の分岐した本体を備えることができる。更に、排気バルブは、各排気バルブに対して１つの排気導管を備えた、又は、単一の分岐した本体を備えた関連する排気マニホールドシステムを有する。

スロットルバルブ２１０、２１０’、２１０’’、２１０’’’、３１０、３１０’、３１０’’及び３１０’’’は、システムを通して流れる空気の体積を選択的に制限するための当該技術分野において認識されているあらゆる絞り機構とすることができ、例えば、回動可能なバタフライプレートを有する流路、又は、回動可能な開口部付プレートを有する流路を含む。

図２Ａは、過給状態、ベルト２０９の張力、並びに、圧力測定結果Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４の間の関係の一例を示す。開いたスロットルバルブ２１０は、ほぼ外気圧、例えばＰ１＝〜１００ｋＰａの空気を受け入れる。スロットルバルブ２１０は、任意で、空気の圧力を大気圧に調整してもよい。そして、スーパーチャージャ２０１は、ＣＶＴ２０６を介して正の駆動力を受けてロータを回転させ、これにより、圧力Ｐ２＝１００ｋＰａの空気を吸入し、これをロータを通してインタークーラ２０２に向けて押し出す。スーパーチャージャ２０１は、より高圧の圧力Ｐ３の空気流を生成し、この圧力は、Ｐ３＝２００ｋＰａとすることができ、有効圧力比Ｐ３／Ｐ２＝２．０を生じる。

ＣＶＴ２０６は、高伝達比で作動して、エンジン２０３から大きなエネルギーをスーパーチャージャ２０１に伝達する。ベルト２０９は、ＣＶＴプーリ２０７及びエンジンプーリ２０８を通り、エンジン牽引側の張力がスーパーチャージャ牽引側の張力よりも大きい。この例に示されるように、Ｔ１＝４００ＮでＴ２＝１０００Ｎである。すなわち、スーパーチャージャ２０１は、エンジン２０３からトルク出力を受け入れて、圧力Ｐ３の高圧空気を生成する。

インタークーラ２０２からの空気は、エンジン２０３の燃焼室に入り、この燃焼室は、この空気を燃焼行程で使用してマフラ２０５へ向けて排出する。排出する排気は、圧力Ｐ４＝〜１００ｋＰａに排気抵抗による圧力を加えた圧力である。

図２Ｂは、スーパーチャージャ２０１’の上流にエンジンスロットルバルブ２１０’を有する例を示している。エンジンスロットルバルブ２１０’は、開いている。スーパーチャージャ２０１’による過給の必要がない間、ＣＶＴ２０６’は、スーパーチャージャ２０１’がエンジンスロットル機能の全てを提供するようにスーパーチャージャ２０１’の速度を制御する。このため、スーパーチャージャ２０１’は、負の駆動出力で作動する。すなわち、ＣＶＴ２０６’は、エンジン２０３’のクランク軸に戻るトルクエネルギーを供給するルートである。ＣＶＴ２０６’は、低ギヤ比で作動し、すなわち、クランク軸からスーパーチャージャへのエネルギー伝達は、スーパーチャージャからクランク軸へ戻るエネルギー伝達よりも小さい。ベルト２０９’は、その張力を介して、このエネルギー伝達を補助する。図２Ｂに示されるように、ベルト２０９’は、ＣＶＴプーリ２０７’及びエンジンプーリ２０８’を通して引張られる。ベルト２０９’のスーパーチャージャ牽引側は、張力Ｔ１＝７００Ｎを有し、これは、ベルト２０９’のエンジン牽引側の張力Ｔ２＝４００Ｎよりも大きい。すなわち、スーパーチャージャ２０１’は、エンジン２０３’にトルク出力を供給する。

図２Ｂの例では、スーパーチャージャを通して圧力降下が生じる。一例では、たとえばＰ１＝〜１００ｋＰａの外気圧で空気がシステムに入る。スロットルバルブ２１０’は、任意で空気の圧力を大気圧に調整することができる。そして、空気は、Ｐ３／Ｐ２＝０．８の有効圧力比に対して、圧力Ｐ２＝１００ｋＰａでスーパーチャージャ２０１’に入り、圧力Ｐ３＝８０ｋＰａでスーパーチャージャから出る。減圧された空気は、任意のインタークーラ２０２’で冷却されて、エンジン２０３’に供給される。燃焼室で使用した後、使用済みの排気は、圧力Ｐ４＝１００ｋＰａに排気抵抗による圧力を加えた圧力で任意的なマフラ２０５’に入る。

図２Ｃは、エンジンスロットルバルブ２１０’’及びスーパーチャージャ２０１’’の両方によるエンジンスロットル機能を有する例を示している。この組み合わせは、Ｐ２の圧力降下及びＰ３の第２の圧力降下を生じる。

エンジンスロットルバルブ２１０’’は、スーパーチャージャ２０１’’の上流に配置されて、部分的に閉じている。スーパーチャージャ２０１’’による過給が必要とされない間、ＣＶＴ２０６’’は、スーパーチャージャ２０１’’がエンジンスロットル機能の一部を提供するように、スーパーチャージャ２０１’’の速度を制御する。残りのスロットル機能は、スロットルバルブ２１０’’によって提供される。プロセッサ及び制御アルゴリズムが記憶されたメモリを有するコンピュータシステムは、スーパーチャージャ２０１’’及びスロットルバルブ２１０’’によって提供されるスロットルの範囲を補助することができる。

スーパーチャージャ２０１’’は、負の駆動出力で作動する。すなわち、ＣＶＴ２０６’’は、トルクエネルギーをエンジン２０３’’のクランク軸に戻すルートである。ＣＶＴ２０６’’は、低変速比で作動し、すなわち、クランク軸からスーパーチャージャへのエネルギー伝達は、スーパーチャージャからクランク軸に戻るエネルギー伝達よりも小さい。ベルト２０９’’は、ＣＶＴプーリ２０７’’及びエンジンプーリ２０８’’を通して張力がかけられている。

図示の例では、ベルト２０９’’のスーパーチャージャ牽引側は、張力Ｔ１＝６００Ｎを有し、これは、ベルト２０９’’のエンジン牽引側の張力Ｔ２＝４００Ｎよりも大きい。すなわち、スーパーチャージャ２０１’’は、エンジン２０３’’のクランク軸にトルク出力を供給する。

また、図示の例では、空気は、外気圧力、すなわち、圧力Ｐ１＝〜１００ｋＰａでシステムに入る。スロットルバルブ２１０’’の作用を受けた後、空気は、有効圧力比Ｐ３／Ｐ２＝０．８により、圧力Ｐ２＝８０ｋＰａでスーパーチャージャ２０１’’に入り、圧力Ｐ３＝６５ｋＰａで出る。この減圧された空気は、任意的なインタークーラ２０２’’で冷却されて、エンジン２０３’’に供給される。燃焼室で使用された後、使用済みの排気は、圧力Ｐ４＝１００ｋＰａに排気抵抗による圧力を加えた圧力で任意的なマフラ２０５’’に入る。

図２Ｄは、スーパーチャージャ２０１’’’の上流にスロットルバルブ２１０’’’を有する最後の例である。また、この例は、排出ガス再循環（ＥＧＲ）バルブ２１１を含む。ＣＶＴ２０６’’’は、スーパーチャージャ２０１’’’がこの例に対して必要なエンジンスロットルの全てを提供するようにスーパーチャージャ２０１’’’の速度を制御する。エンジンスロットルバルブ２１０’’’は、スーパーチャージャ２０１’’’の上流に配置されて開いている。スーパーチャージャ２０１’’’は、負の駆動出力で作動する。すなわち、ＣＶＴ２０６’’’は、トルクエネルギーをエンジン２０３’’’のクランク軸に戻すルートである。ＣＶＴ２０６’’’は、低変速比で作動し、すなわち、クランク軸からスーパーチャージャへのエネルギー伝達は、スーパーチャージャからクランク軸に戻るエネルギー伝達よりも小さい。ベルト２０９’’’は、ＣＶＴプーリ２０７’’’及びエンジンプーリ２０８’’’を通して張力がかけられている。この例では、ベルト２０９’’’のスーパーチャージャ牽引側は、張力Ｔ１＝７００Ｎを有し、これは、ベルト２０９’’’のエンジン牽引側の張力Ｔ２＝４００Ｎよりも大きい。すなわち、スーパーチャージャ２０１’’’は、エンジン２０３’’’のクランク軸にトルク出力を供給する。

空気は、外気圧力Ｐ１＝〜１００ｋＰａでシステムに入る。スロットルバルブ２１０’’’は、任意的に空気の圧力を大気圧に調整してもよい。そして、空気は、有効圧力比Ｐ３／Ｐ２＝０．８により、圧力Ｐ２＝１００ｋＰａでスーパーチャージャ２０１’’’に入り、圧力Ｐ３＝８０ｋＰａで出る。この減圧された空気は、任意的なインタークーラ２０２’’’で冷却されて、エンジン２０３’’’に供給される。燃焼室で使用された後、使用済みの排気は、圧力Ｐ４＝１００ｋＰａに排気抵抗による圧力を加えた圧力で任意的なマフラ２０５’’’に向って排出される。使用済みの排気の少なくとも一部は、エンジン２０３’’’に入る空気流に排出ガス再循環（ＥＧＲ）バルブ２１１を介して再循環され、又は、マフラ２０５’’’を通してシステムから排出することができる。

ＥＧＲバルブは、排出ガスをエンジン２０３’’’の吸気マニホールドに導入する利点がある状況に対して有用である。吸気マニホールドは、インタークーラ２０２’’’とエンジン２０３’’’との間に配置される。空気は、差圧によって流れるので、吸気システムにおけるより低い圧力は、空気が圧力Ｐ４で大気圧に近い排気側から大気圧よりも僅かに低圧の吸気マニホールドに流れるのを促進する。

図３Ａ〜３Ｄは、スロットルバルブがスーパーチャージャの下流に配置された例を示している。図３Ａは、外気圧力Ｐ５＝〜１００ｋＰａでスーパーチャージャ３０１に入る空気を示している。スーパーチャージャ３０１は、過給を行い、この過給は、空気の圧力を大気圧より高く昇圧し、空気を圧力Ｐ６、例えば圧力Ｐ６＝２００ｋＰａで送り出す。この例では、有効圧力比Ｐ６／Ｐ５＝２．０である。そして、空気は、任意的なインタークーラ３０２に入って、開いたスロットルバルブ３１０に供給される。また、スロットルバルブ３１０を出る空気は、圧力Ｐ７＝２００ｋＰａで、内燃エンジン３０３で使用される。使用済みの排気は、エンジン３０３を出て、圧力Ｐ８＝〜１００ｋＰａに排気抵抗による圧力を加えた圧力で任意的なマフラ３０４に入る。

ＣＶＴ３０６は、高伝達比で作動して、大きなエネルギーをエンジン３０３のクランク軸からスーパーチャージャ３０１の駆動軸に伝達する。ベルト３０９は、ＣＶＴプーリ３０７及びエンジンプーリ３０８に架け渡され、エンジン牽引側の張力Ｔ４がスーパーチャージャ牽引側の張力Ｔ３よりも大きい。例えば、張力Ｔ４＝１０００Ｎであり、張力Ｔ３＝４００Ｎである。すなわち、スーパーチャージャ３０１は、エンジン３０３からトルク出力を得て、圧力Ｐ６の高圧空気を生成する。

図３Ｂは、エンジンスロットルを提供するスーパーチャージャ３０１’の一例を示している。このシステムは、スーパーチャージャ３０１’による空気の過給を要求せず、ＣＶＴ３０６’は、スーパーチャージャ３０１’がエンジンスロットル機能の全てを提供し、ローブ付ロータが減速されてロータにトルクを生じるように、スーパーチャージャ３０１’の速度を制御する。このトルクは、ＣＶＴ３０６’の低伝達比を介して、エンジン３０３’のクランク軸に供給される。ベルト３０９’は、ＣＶＴプーリ３０７’及びエンジンプーリ３０８’に架かっている。ベルト３０９’のスーパーチャージャ牽引側の張力Ｔ３は、ベルト３０９’のエンジン牽引側の張力Ｔ４よりも大きい。換言すると、スーパーチャージャ３０１’の駆動出力は、負である。図示の例では、張力Ｔ３＝７００Ｎであり、張力Ｔ４＝４００Ｎである。

外気圧力Ｐ５＝〜１００ｋＰａの空気がスーパーチャージャ３０１’に入る。スーパーチャージャ３０１’は、これを通る負の差圧を有し、有効圧力比Ｐ６／Ｐ５＝０．８により、空気は圧力Ｐ６＝８０ｋＰａで出る。そして、この空気は、任意的なインタークーラに入り、開いたスロットルバルブ３１０’に供給される。スロットルバルブ３１０’を出た空気は、圧力Ｐ７＝８０ｋＰａで、内燃エンジン３０３’で使用される。使用済みの排気は、エンジン３０３’を出て、圧力Ｐ８＝〜１００ｋＰａに排気抵抗による圧力を加えた圧力で任意的なマフラ３０４’に入る。

図３Ｃは、スーパーチャージャ３０１’’及びスロットルバルブ３１０’’の両方によってエンジンスロットルを行う一例を示している。スーパーチャージャ３０１’’は、スロットル機能の全ては提供しない。このため、スロットルバルブ３１０’’は、部分的に閉じて、エンジン３０３’’に対するスロットル機能の一部を提供する。プロセッサ及び制御アルゴリズムが記憶されたメモリを有するコンピュータシステムは、スーパーチャージャ３０１’’及びスロットルバルブ３１０’’によって提供されるスロットルの範囲を補助する。

このシステムは、スーパーチャージャ３０１’’による空気の過給を必要とせず、ＣＶＴ３０６’’は、スーパーチャージャ３０１’’がエンジンスロットル機能の一部を提供し、ローブ付ロータが減速されてロータにトルクを生じるようにスーパーチャージャ３０１’’の速度を制御する。ロータからのトルクが低伝達比のＣＶＴ３０６’’を介して、エンジン３０３’’のクランク軸に供給される。ベルト３０９’’は、ＣＶＴプーリ３０７’’及びエンジンプーリ３０８’’に架け渡されている。この例では、ベルト３０９’’のスーパーチャージャ牽引側の張力Ｔ３＝７００Ｎは、ベルト３０９’’のエンジン牽引側の張力Ｔ４＝４００Ｎよりも大きい。換言すると、スーパーチャージャ３０１’’の駆動出力は、負である。

圧力Ｐ５＝〜１００ｋＰａの空気がスーパーチャージャ３０１’’に入る。スーパーチャージャ３０１’’は、これを通る負の差圧を有し、有効圧力比Ｐ６／Ｐ５＝０．８によって圧力Ｐ６＝８０ｋＰａで空気を排出する。そして、この空気は、任意的なインタークーラに入り、部分的に閉じられたスロットルバルブ３１０’’に供給される。スロットルバルブ３１０’’を出た圧力Ｐ７＝６５ｋＰａの空気は、燃焼エンジン３０３’’で使用される。使用済みの排気は、エンジン３０３’’を出て、圧力Ｐ８＝〜１００ｋＰａに排気抵抗による圧力を加えた圧力で任意的なマフラ３０４’’に入る。

図３Ｄは、スーパーチャージャ３０１’’’がＣＶＴ３０６’’’による速度制御を介してスロットルの少なくとも一部を提供するようにした排出ガス再循環（ＥＧＲ）を備えた下流スロットル方式の一例を示している。スーパーチャージャ３０１’’’は、負の駆動出力で作動する。すなわち、ＣＶＴ３０６’’’は、エンジン３０３’’’のクランク軸にトルクエネルギーを戻すルートである。ＣＶＴ３０６’’’は、低変速比で作動し、すなわち、クランク軸からスーパーチャージャへのエネルギー伝達は、スーパーチャージャからクランク軸に戻るエネルギー伝達よりも小さい。ベルト３０９’’’は、ＣＶＴプーリ３０７’’’及びエンジンプーリ３０８’’’を通して張力がかけられている。この例では、ベルト３０９’’’のスーパーチャージャ牽引側は、張力Ｔ３＝７００Ｎを有し、これは、ベルト３０９’’’のエンジン牽引側の張力Ｔ４＝４００Ｎよりも大きい。すなわち、スーパーチャージャ３０１’’’は、トルク出力をエンジン３０３’’’のクランク軸に供給する。

空気は、圧力Ｐ５＝〜１００ｋＰａでスーパーチャージャ３０１に入る。空気は、有効圧力比Ｐ６／Ｐ５＝０．８により、圧力Ｐ６＝８０ｋＰａで出る。この減圧された空気は、任意的なインタークーラで冷却されて、空気をエンジン３０３’’’に導く開いたスロットルバルブ３１０’’’に供給される。燃焼室で使用された後、使用済みの排気は、圧力Ｐ４＝１００ｋＰａに排気抵抗による圧力を加えた圧力で任意的なマフラ３０４’’’に向けて排出される。使用済みの排気の少なくとも一部は、排出ガス再循環（ＥＧＲ）バルブ３１１を介して、エンジン３０３’’’に流入する空気流に再循環され、又は、マフラ３０４’’’と通してシステムから排出される。

このＥＧＲバルブは、排出ガスをエンジン３０３’’’の吸気マニホールドに導入する利点がある状況に対して役に立つ。吸気マニホールドは、インタークーラ３０２’’’とエンジン３０３’’’との間に配置される。空気の流れは、差圧によるので、吸気システムがより低圧であることにより、大気圧に近い圧力Ｐ４の排気から、大気圧より僅かに低圧の吸気マニホールドへの空気の流れが促進される。

ＣＶＴ２０６、２０６’、２０６’’、２０６’’’、３０１、３０１’、３０１’’及び３０１’’’は、ロータ側の正確な制御を可能にし、これにより、また、燃焼に供給する空気の体積を正確に制御できるようにする。空気量の正確な制御により、図２Ａ−３Ｄの例では、バイパスバルブを必要としない。バイパスバルブの省略により、例示のシステムの動力を節約することになる。

図６は、従来技術の２Ｌエンジンの固定されたプーリ比の０．５７Ｌスーパーチャージャにおいて、バイパスされる空気量の百分率を示している。この従来技術のシステムは、作動領域の一部のみに対する最適な作動のために設計されており、その結果、残りの作動領域に対しては過剰な空気量を吸入することになる。エンジン速度が低速、かつ、高圧力比においては、空気量は、僅かにバイパスされ、又は、バイパスされない。圧力比が低下し、エンジン速度が増大すると、バイパスバルブを使用してバイパスされる総空気量の百分率は、増大する。図７に示されるように、バイパスされる空気量は、従来技術のスーパーチャージャを駆動するために追加のエンジン出力を要求する。

固定されたプーリ構造に代えてＣＶＴドライブを使用したとき、スーパーチャージャは、低エンジン速度で、より高速回転して過給を増大させ、高エンジン速度で、より低速回転して、スーパーチャージャの速度超過を防止する。ＣＶＴによって駆動されるスーパーチャージャに要求されるエンジン出力は、図８に示されている。

図７と図８とを比較して、図７において低エンジン速度で失われたセルは、従来技術のスーパーチャージャが吸入空気量に対して高圧力比を提供できないことを示している。しかしながら、図８のＣＶＴにより駆動されるスーパーチャージャは、全てのエンジン運転領域にわたって吸入気量に対して高圧力比を提供することができる。

図９は、固定プーリ比構造に代えてＣＶＴドライブを有するスーパーチャージャを作動させることにより節約される入力動力を示している。ＣＶＴドライブによる入力動力の節約は、部分負荷状態下においてエンジン速度４０００〜４５００ＲＰＭで約３〜５ｋＷ、及び、エンジン速度２０００〜２５００ＲＰＭで約１〜１．５ｋＷである。２Ｌエンジンに対して、この省動力化は、低負荷から中負荷において約１〜３％燃料経済性の改善になる。ＣＶＴ駆動のスーパーチャージャは、低エンジン速度におけるより高い圧力比（更なる「低速過給」）と、スーパーチャージャの入力動力の低減の利点とを組み合わせること可能にする。

以上の明細書において、添付の図面を参照して様々な好ましい実施形態を説明してきた。しかしながら、これに対して、以下の特許請求の範囲に記載された本発明のより広い技術的範囲から逸脱することなく、様々な他の修正及び変更が可能であり、また、更なる態様を実施可能であることは明らかであろう。例えば、他の圧力値Ｐ１〜Ｐ８を用いて他の作動状態を実施することができる。また、ベルト張力Ｔ１〜Ｔ４は、調整することができる。したがって、この明細書及び図面は、限定を意味せず、一例とみなすべきである。

この明細書及びここに開示された本発明の実施形態を検討することにより、当業者には本発明の他の実施形態が明らかになるであろう。この明細書及び実施形態は、例示に過ぎず、本発明の真の技術的範囲及び思想は、以下の特許請求の範囲によって示されるものとする。

Claims (18)

1. 変化可能に開閉して空気の流量を選択的に制限するように構成されたスロットルバルブと、
   空気入口と、空気出口と、回転可能な駆動軸及び該駆動軸に関連するロータとを含み、空気流の逆流を防止する程度の流量を有する容量とされたスーパーチャージャと、
   燃焼室及び関連する回転可能なクランク軸を含む燃焼エンジンと、
   前記駆動軸と前記クランク軸との間で回転エネルギーを変化可能に伝達する無段変速機（ＣＶＴ）とを備えていることを特徴とするエンジンシステム。
2. 前記スロットルバルブは、開いており、
   前記ＣＶＴは、前記駆動軸が前記クランク軸よりも高速で回転するように前記クランク軸から前記駆動軸に回転エネルギーを伝達するように構成され、
   前記スーパーチャージャは、加圧された空気を前記燃焼エンジンに供給するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
3. 前記スロットルバルブは、開いており、
   前記ＣＶＴは、前記駆動軸から前記クランク軸に回転エネルギーを伝達するように構成され、
   前記ロータは、トルクを受けるように構成されて、
   前記スーパーチャージャは、前記入口から前記出口への負の差圧となるように構成されていることを特徴する請求項１に記載のエンジンシステム。
4. 前記スロットルバルブは、部分的に閉じており、
   前記ＣＶＴは、前記駆動軸から前記クランク軸に回転エネルギーを伝達するように構成され、
   前記ロータは、トルクを受けるように構成されて、
   前記スーパーチャージャは、前記入口から前記出口への負の差圧となるように構成されていることを特徴する請求項１に記載のエンジンシステム。
5. 更に、排出ガス再循環バルブと、吸気マニホールドと、排気マニホールドとを備え、
   前記吸気マニホールドは、前記スーパーチャージャと前記エンジンとの間に配置され、前記排気マニホールドは、前記燃焼エンジンから排気を受け入れ、前記排出ガス再循環バルブは、排気を前記排気マニホールドから吸気マニホールドに変化可能に移送することを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
6. 前記スーパーチャージャは、前記エンジンと前記スロットルバルブとの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
7. 前記スロットルバルブは、前記スーパーチャージャと前記エンジンとの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
8. 前記ＣＶＴは、電気モータ、トロイダル式変速機、ベルト及びプーリ式変速機、又は、コーン式変速機のうちの一つであることを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
9. 前記ＣＶＴは、前記ロータが前記スーパーチャージャを通過する空気に抵抗を付与するように前記クランク軸から前記駆動軸への回転エネルギーの伝達を制限し、これにより、ロータにトルクを発生させることを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
10. 前記トルクは、前記駆動軸に伝達され、前記ＣＶＴは、前記トルクを前記クランク軸に伝達することを特徴とする請求項９に記載のエンジンシステム。
11. 空気入口と、空気出口と、前記空気入口から前記空気出口に空気を移動させる少なくとも一つのロータと、該ロータに連結されて前記ロータを回転させる駆動軸とを有する容積形エアポンプと、
    変化可能に移動可能な空気制限プレートを有するバルブと、
    空気燃焼室と、関連するクランク軸とを有するエンジンと、
    回転エネルギーの量を変化可能に伝達する手段を有する無段変速機（ＣＶＴ）とを備え、
    前記ＣＶＴは、前記駆動軸と前記クランク軸との間に連結されて、回転エネルギーを伝達することを特徴とする空気移動システム。
12. 前記ＣＶＴは、前記駆動軸の回転速度を制御することを特徴とする請求項１１に記載の空気移動システム。
13. 前記駆動軸は、前記クランク軸よりも大きい回転速度（ＲＰＭ）で回転し、これにより、前記容積形エアポンプの前記ロータを回転させて、加圧された空気を前記エンジンに供給することを特徴とする請求項１２に記載の空気移動システム。
14. 前記クランク軸は、前記駆動軸よりも大きい回転速度（ＲＰＭ）で回転することを特徴とする請求項１２に記載の空気移動システム。
15. 前記駆動軸の回転速度は、前記ロータが空気の流れに抵抗を付与するように充分小さく、これにより、前記ロータにトルクを発生させることを特徴とする請求項１４に記載の空気移動システム。
16. 前記駆動軸の回転速度は、前記ロータが空気の流れに抵抗を付与するように充分小さく、これにより、前記容積形エアポンプを通して負の差圧を生じることを特徴とする請求項１４に記載の空気移動システム。
17. 前記エンジンは、前記空気燃焼室に関連する吸気マニホールドを備え、前記負の差圧は、前記吸気マニホールド内に大気圧よりも低い負圧を生じることを特徴とする請求項１６に記載の空気移動システム。
18. 更に、前記空気燃焼室に関連する排気マニホールドと、前記排気マニホールドから前記吸気マニホールドに排気を変化可能に移送する排出ガス再循環バルブとを備えていることを特徴とする請求項１７に記載の空気移動システム。

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